Bakterinės infekcijos kasmet pasaulyje nusineša apie 9 mln. gyvybių. Nepaisant didelės pažangos kuriant antibiotikus, vis daugiau bakterijų tampa jiems atsparios, todėl mokslininkai ieško naujų ir patikimesnių būdų įveikti bakterines infekcijas.

Pneumokokinės ligos, kurias sukelia bakterija Streptococcus pneumoniae (dar vadinama pneumokoku), yra vienos iš pavojingiausių ir dažniausių bakterinių infekcinių ligų. Ypač didelę grėsmę jos kelia vaikams, senyvo amžiaus ir silpnos imuninės sistemos žmonėms. Kasmet pasaulyje nuo šios infekcijos miršta apie milijonas žmonių, daugiausia vaikų. Plintant antibiotikams atspariems pneumokokams, Pasaulio sveikatos organizacija 2017 m. naujų priešbakterinių medikamentų paiešką paskelbė prioritetine sritimi.

Pneumokokas yra itin klastinga bakterija, turinti visą arsenalą „išmaniųjų ginklų“ – virulentiškumo veiksnių, kurie padeda jai įsitvirtinti, išgyventi ir daugintis žmogaus organizme.

Iš šio arsenalo svarbiausias ginklas yra ląstelių membranas ardantis toksinas pneumolizinas. Šis toksinas turi įvairialypį neigiamą poveikį žmogaus organizmui – jis ne tik pažeidžia kvėpavimo takų epitelio ir kitas ląsteles, bet ir sugeba „apgauti“ imuninę sistemą, slopindamas imuninį atsaką į pneumokokus. Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centre yra atliekami pneumolizino tyrimai ir kuriami šį toksiną atpažįstantys antikūnai, kurie gali neutralizuoti pneumokokų „išmaniuosius ginklus“.

Pneumokokas – nuo slogos iki sepsio

Pneumokokas yra viršutinių kvėpavimo takų gleivinės natūralios mikrofloros bakterija, plintanti oro lašeliniu būdu. Dauguma suaugusiųjų turi šią bakteriją nosiaryklėje, tačiau nejaučia jokių ligos simptomų. Jeigu pneumokokui pavyksta įveikti imuninės sistemos barjerus, jis iš nosiaryklės migruoja giliau į organizmą – plaučius, ausis, smegenis, blužnį, širdį ir kraujotaką, taip sukeldamas pavojingas neinvazines arba invazines (sistemines) ligas.

Dažniausios pneumokoko sukeliamos neinvazinės ligos yra otitas (vidinės ausies uždegimas) ir pneumonija (plaučių uždegimas). Mirtingumas nuo pneumonijos siekia apie 10 proc. Ši liga ypač pavojinga padidėjusios rizikos grupėms – vaikams, senyvo amžiaus žmonėms, ŽIV infekuotiesiems.

Dar pavojingesnės yra pneumokoko sukeliamos invazinės ligos – sepsis ir meningitas. Sepsis gali išsivystyti pneumonijos metu, kai bakterija per plaučių alveoles patenka į kraujotaką. Kita pneumokoko sukeliama invazinė liga yra meningitas – galvos ir nugaros smegenų apsauginių dangalų uždegimas, kai patogenas per kraujotaką patenka į smegenų dangalus. Šis uždegimas gali sukelti galvos skausmus, klausos praradimą, traukulius, komą. Mirtingumas nuo pneumokokinio meningito siekia 10–40 proc., o beveik pusė persirgusiųjų jaučia ilgalaikius neurologinių pažaidų padarinius. Pneumokoko infekcijos metu gali išsivystyti ne viena, o keletas ligų – pavyzdžiui, sergant meningitu gali pasireikšti pneumonijos ar otito simptomai. Itin sunkūs invazinės pneumokoko infekcijos atvejai būna tada, kai vienu metu išsivysto sepsis ir meningitas. Ši bakterija taip pat gali sukelti mikrožaizdeles miokardo audinyje, dėl kurių senyvo amžiaus žmonėms padidėja invazinės pneumokokinės ligos rizika.

Pneumokoko „sunkioji artilerija“

Pneumokokai turi įvairių „išmaniųjų ginklų“ (virulentiškumo veiksnių), kurie padeda jiems išgyventi ir daugintis žmogaus organizme. Pirmasis pneumokoko ginklas, kuris apsaugo bakteriją ir padeda jai plisti, yra polisacharidinė kapsulė. Beje, pagal šios kapsulės polisacharidų sudėtį pneumokokai klasifikuojami į serotipus, kurių šiuo metu žinoma apie 100. Pneumokoko sienelę gaubiančios kapsulės polisacharidus mūsų imuninė sistema pastebi pirmiausia ir mėgina atakuoti bakteriją mobilizuodama savo „kariuomenę“ – fagocitus ir komplemento sistemą. Tačiau dažnai pneumokokai išvengia šios atakos, užmaskuodami kapsulės atpažinimo vietas ir taip neleisdami imuninei sistemai atlikti savo apsauginių funkcijų.

Egzistuoja ir tokie pneumokokai, kurie visai neturi kapsulės – jie paprastai nesukelia ligos arba sukelia nesunkias ligas, tokias kaip konjunktyvitas (akių uždegimas). Pneumokokų polisacharidinės kapsulės yra šiuolaikinių pneumokoko vakcinų taikinys. Šiuo metu pasaulyje daugiausia naudojamos dvi vakcinos, veikiančios prieš pneumokoko 13 ir 23 serotipus, kurie yra labiausiai paplitę. Nors polisacharidinės vakcinos yra efektyvios ir apsaugo nuo pneumokoko sukeliamų invazinių ligų, jos negali apsaugoti tais atvejais, kai ligą sukelia į vakcinas neįtraukti serotipai. Todėl mokslininkai visame pasaulyje deda daug pastangų mėgindami sukurti naujas vakcinas mažai kintančių pneumokoko baltymų pagrindu.

Tam, kad įsiskverbtų į žmogaus organizmą, išgyventų ir plistų, pneumokokai naudoja ir kitus virulentiškumo veiksnius, tokius kaip pneumolizinas (PLY), pneumokoko neuraminidazė (NanA), pneumokoko paviršiaus baltymai A ir C (PspA ir PspC), pneumokoko adhezijos ir virulentiškumo baltymas B (PavB), piruvato oksidazė (SpxB), metalo proteazė (ZmpB), IgA1 proteazė ir kiti.

Pneumolizinas – veiksmingiausias pneumokoko ginklas

Kad išgyventų žmogaus organizme, pneumokokui labai svarbu efektyviai įsitvirtinti nosiaryklės gleivinėje. Tam jis panaudoja visą savo ginklų arsenalą. Kartu su adhezijos baltymais ir polisacharidine kapsule kolonizacijos procesui pneumokokas pasitelkia poras formuojantį toksiną – pneumoliziną (PLY). PLY formuoja poras ląstelių membranose ir taip ardo kvėpavimo takų epitelį. Formuojantis porai, PLY molekulė sąveikauja su ląstelės membranose esančiu cholesteroliu per tam tikras savo sekas, kurios atlieka „inkaro“ funkciją. PLY formuojama pora yra apie 350 angstremų skersmens, ją sudaro kelios dešimtys PLY monomerų. Dėl susidariusių didelių porų pažeistos ląstelės suyra, sukeldamos vietinių audinių uždegimą.

Moksliniai tyrimai patvirtina, kad PLY ne tik ardo viršutinių kvėpavimo takų epitelį, bet ir sukelia ūmius plaučių ir širdies audinių pažeidimus, kurie dažniausiai lemia ilgą ir sunkią ligos eigą. PLY padeda pasiekti pagrindinį pneumokoko tikslą – nepastebimai prasibrauti į žmogaus organizmą, ten įsitvirtinti ir daugintis. Per PLY formuojamas poras bakterija gali transportuoti savo toksiškas medžiagas į pažeistos ląstelės vidų arba pasinaudoti poromis tarsi tuneliu, siekdama patekti į ląstelės vidų ir išvengti ląstelės apsauginių mechanizmų, tokių kaip lizosomos. PLY neturi tipinės sekrecinio signalo sekos, todėl anksčiau buvo manoma, kad, skirtingai nei kiti panašūs toksinai, jis nėra sekretuojamas į ląstelės išorę. Tačiau naujausi moksliniai tyrimai patvirtino, kad aktyvus PLY yra lokalizuotas pneumokoko sienelėje. Todėl neabejotina, jog PLY pasiekia ir ardo audinius ne tik pneumokokams suirus dėl autolizės arba antibiotikų sukeltos lizės, bet ir kai jis atpalaiduojamas nuo bakterijos sienelės arba kai bakterija kontaktuoja tiesiogiai su ląstele.

Pastaraisiais metais išaiškinta ir daugiau mechanizmų, kurie padeda pneumokokui išgyventi ir daugintis žmogaus organizme. Anksčiau buvo manoma, kad pneumokokas yra užląstelinis patogenas, savo žalingą poveikį darantis už ląstelės ribų. Tačiau naujausi tyrimai rodo, kad ši bakterija gali patekti į ląstelės vidų, siekdama išgyventi ir išvengti žmogaus imuninės sistemos atakos. Slėpdamasis užkrėstos ląstelės viduje, pneumokokas gali išvengti ir jam pražūtingo antibiotikų poveikio. Patekęs į ląstelę, pneumokokas ne tik slepiasi specialiose pūslelėse (vakuolėse) ir išvengia lizosomų, bet ir slopina uždegiminį imuninės sistemos atsaką, taip dar efektyviau apsisaugodamas nuo fagocitozės. Neseniai pavyko išaiškinti žmogaus imuninių ląstelių receptorius, kurie atpažįsta PLY ir padeda pneumokokui apgauti žmogaus imuninę sistemą. Šios naujos mokslinės žinios leidžia surasti naujus sprendimus mėginant įveikti pneumokoko infekciją.

PLY yra labai efektyvus pneumokoko ginklas, todėl gali būti panaudotas kuriant naujos kartos vakcinas nuo pneumokokinės infekcijos. PLY pagrindu sukurtų eksperimentinių vakcinų, bandytų su pelėmis, tyrimai patvirtino, kad jos apsaugo nuo plaučių uždegimo ir sepsio. Svarbu ir tai, kad sukurtas PLY toksoidas (baltymas su panaikintu toksiniu aktyvumu) rodo kryžminį aktyvumą ir gali apsaugoti nuo 9 serotipų pneumokokų.  PLY taip pat gali būti panaudotas kaip nešiklis kuriant polisacharidines vakcinas. Tyrimai patvirtino tokių kombinuotų eksperimentinių vakcinų efektyvumą sukeliant imuninį atsaką į pneumokoko kapsulę.

Vilniaus universiteto mokslininkai moka neutralizuoti pneumoliziną

Kadangi PLY yra svarbus pneumokokų virulentiškumo veiksnys ir gali būti panaudotas vakcinoms kurti, jo tyrimai atliekami įvairiose pasaulio laboratorijose. Neabejotina, kad PLY dalyvauja vystantis rimtoms pneumokokinės ligos komplikacijoms – plaučių ir miokardo infarktui. Todėl atsiranda poreikis kurti naujas PLY neutralizavimo strategijas, kurių svarbą pripažįsta ir Pasaulio sveikatos organizacija. Lietuvos mokslininkai taip pat įnešė savo indėlį į PLY tyrimus. Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centro Biotechnologijos instituto Imunologijos ir ląstelės biologijos skyriaus mokslininkų grupė (dr. Milda Plečkaitytė, dr. Indrė Kučinskaitė-Kodzė, dokt. Martynas Simanavičius, prof. dr. Aurelija Žvirblienė) jau daugiau nei dešimtmetį tyrinėja poras formuojančius bakterinius toksinus, tarp jų ir PLY. Neseniai Gyvybės mokslų centro mokslininkams pavyko sukurti didelę kolekciją antikūnų prieš PLY, tarp kurių yra antikūnų, neutralizuojančių PLY toksinį poveikį ląstelėms. Tai nauji perspektyvūs įrankiai, turintys didelį potencialą kovojant su pneumokokine infekcija. Jie gali būti naudingi ir diagnostikai, nustatant pneumokokų kamienus, kuriuose yra dideli PLY kiekiai.

Projektas „Pneumolizino tyrimai imunologiniais metodais“ (nr. 09.3.3-LMT-K-712-02-0094) finansuojamas iš Europos socialinio fondo pagal dotacijos sutartį su Lietuvos mokslo taryba.